用于软硬交互地层钻进的孕镶钻头

孕镶钻头通常仅用于坚硬、研磨性砂岩地层 ,而PDC钻头则用于相对软且非研磨性地层。在软硬交互地层钻时时 ,无论三牙轮钻头还是PDC钻头 ,钻井机械钻速和钻头寿命均不理想。休斯克里斯坦森公司研制的HedgeHog金刚石孕镶钻头在软硬交互地层钻进时取得了非常好的效果     

休斯·克里斯坦森公司的新型PDC钻头及牙轮钻头

美国休斯·克里斯坦森公司新近推出一种称为Gerlesis XT的新型PDC钻头,能够用于钻进硬度和研磨性更大的地层。Genesis XT型PDC钻头采用了该公司的新一代切削齿和已获专利的切削深度控制技术,以便能在恶劣的钻井环境中提高钻头的稳定性和耐用性。其新一代切削齿称之为OdysseyTM系列齿,工程技术人员对齿上碳化钨基体与人造金刚石层之间的界面进行了优化,从而使这种齿的韧性大为改善。由于采用了EZSteerTM切削深度控制技术,该钻头在钻进一般性地层时更为平滑和稳定,而在钻进有夹层的地层时,其SmoothCutTM(平滑切削)技术则又能使钻头获得良好的钻进效果。另外,该新型钻头因采用了多层式金刚石层技术而具有优良的耐磨性能。这些技术的综合运用延长了钻头寿命、提高了钻井效率。     

新型PDC钻头 在沙特Ghawar油田深气井钻井中的应用

近年来，在沙特的Ghawar油田，为开发Khuff和Unayzah地层的致密气藏．深气井的钻井技术被广泛应用。由于地层岩石研磨性强、硬度高、可钻性差．造成机械钻速（RoP）低。根据完井开发的要求，很多井设计成大位移水平井。在水平井段钻进高硬度高研磨性的地层时．往往使用金刚石材料强化的镶齿牙轮钻头。但是，由于单只钻头进尺少，ROP低，起下钻次数多，增加了钻井成本。     

为牙轮钻头安上“金钟罩”

为满足用户的具体需求，美国瓦瑞尔国际公司在其牙轮钻头系列产品上应用了金刚石保护技术。 这种技术是在钻头制造过程中将齿顶敷有金刚石层的钻头镶齿布置到牙轮钻头的背锥和外齿排中以及牙掌尖的前导边缘，以加强在研磨性地层中钻进时对钻头的保护。这种钻头推荐用于井下马达钻井、定向钻井以及旋转可导向钻井作业中，特别是在诸如砂岩、粉砂岩、花岗岩和石灰岩等研磨性地层中使用这种钻头可获得良好的钻井效果。     

特种孕镶块加强PDC钻头的研制与试验

为提高PDC钻头在研磨性硬地层中的机械钻速、延长钻头寿命,研制了特种孕镶块加强PDC钻头.该钻头以PDC切削齿为主切削元件,天然金刚石孕镶块为副切削元件,既具有常规PDC钻头破岩效率较高的特点,又具有孕镶金刚石钻头在研磨性硬地层寿命长的特点.在钻头开始工作时,主要为PDC切削齿"犁切"式破岩,当PDC切削齿磨损到一定程度后,天然金刚石开始磨削岩石,形成"犁沟",有助于 PDC切削齿吃入并切削岩石.该钻头在东北金山气田金古 1-1HF 水平井基底花岗岩硬地层进行了现场试验,平均机械钻速达到4.46 m/h,是同井同地层常规PDC钻头机械钻速的1.5倍,是2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头机械钻速的2倍以上,其使用寿命也达到2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头的2倍以上,取得了良好的现场应用效果.特种孕镶块加强PDC钻头的成功研制,为钻进强研磨性硬地层提供了一种新的高效破岩工具.      

致密砂岩地层孕镶金刚石钻头的研制及应用

元坝气田须家河组致密砂岩地层石英含量高、研磨性强,钻进过程中容易造成钻头过早磨损,单只钻头进尺少、机械钻速低,严重影响了元坝气田的勘探开发进程。鉴于此,利用自主研制的钻凿特性测定试验装置和采集的须家河组露头岩石,开展了孕镶钻头的室内钻进特性模拟试验,得到了不同金刚石粒度和浓度参数组合对孕镶钻头整体性能的影响规律。根据孕镶金刚石参数的试验优选结果,选用40/50目和50/60目两种粒度并配以质量分数70%的金刚石,以钻头平稳钻进、长使用寿命兼顾高机械钻速为目标,研制了一种自锐性好、耐磨性强的离散化DIG259S孕镶金刚石钻头。在YB27-3H井开展的现场应用中,单只DIS259S钻头进尺104. 63 m,平均机械钻速0. 85 m/h,分别较邻井高效牙轮钻头提高了208. 83%和70. 00%,取得了显著的应用效果。该钻头的研制成功为今后元坝气田致密砂岩地层的钻井提速提供了一种有效手段。     

硬地层PDC钻头设计的探讨

目前的PDC钻头只能有效地钻进软到中硬的比较均质的地层 ,而在硬的、研磨性和软硬交错等非均质地层中 ,或钻速低 ,或寿命短。为此 ,研究分析了剖面形状、切削齿布置、切削齿工作角、副切削齿等设计对PDC钻头性能的影响 ,提出了以同时加强钻头的稳定性、耐久性和钻进能力为目标的设计观点和建议。研制的新型PDC钻头采用了短抛物线形剖面和楔形人造聚晶金刚石孕镶块辅助切削齿结构 ,中密度布齿 ,切削齿后倾角由内向外在 10～ 15°范围内变化。试验表明 ,与牙轮钻头相比 ,PDC钻头钻速提高了 5 9 6 % ,每米钻井成本降低了 2 6 %。     

混合钻头在元坝须家河组高研磨性地层的应用

元坝气田主力气藏埋深超过7000m,是中国埋藏最深的海相气田。陆相地层岩性致密、硬度高、非均质性强、机械钻速低,特别是须家河组地层,硬度高、研磨性强、可钻性极差,牙轮钻头磨损速度快、进尺短,PDC钻头难以满足高研磨性的要求,钻头合理选型困难。针对须家河组地层硬度高、砂泥岩交错的地层特点,研制出了KPM系列牙轮-PDC混合钻头,采用3刀翼和3牙轮设计,兼具牙轮和PDC钻头两者的优点。在元坝须家河组应用3井次,较好克服了地层硬度高、软硬交错的影响,进尺和机械钻速均获得大幅提高,为元坝钻井提速探索新的 方向。     

川渝地区须家河地层涡轮钻具配套孕镶金刚石钻头钻井提速技术

川渝地区须家河地层研磨性强、硬度高、可钻性差、单只钻头进尺低、钻头消耗量大、机械钻速低、钻井成本高、针对上述难题,采用自主研发的涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头钻井技术。经龙岗X1井的现场试验,单只钻头进尺392m,纯钻时间240,平均机械钻速2.73m/h,与邻井同层钻头对比!机械钻速提高95%,以上,单只钻头平均进尺提高了334.1%。试验结果表明,涡轮配合孕镶金刚钻头钻井技术在强研磨性地层具有较好的提速效果,可为川渝、新疆等地区强研磨性地层钻井提速提供技术支持。     

元坝陆相高压致密强研磨性地层钻井提速技术

针对元坝气田陆相深部自流井组和须家河组地层岩性致密、硬度高、研磨性强,牙轮钻头进尺少、寿命短,以及综合效益低的问题,通过分析地层的可钻性、钻头的破岩原理,结合现场实钻情况优选高效钻头,并根据钻头与钻井工具的合理匹配原则优选合适的动力钻具,进行了"进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮"复合钻井技术、"国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆"复合钻井技术和牙轮-PDC混合式钻头钻井技术现场试验。以钻头每单位进尺消耗的比能作为选择钻头的依据,并应用盈亏平衡理论对3种钻井技术进行了经济评价。现场试验结果表明:高压致密强研磨性地层首选"国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆"钻井技术;砾石含量高的珍珠冲组地层推荐采用"进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮"复合钻井技术;砂泥岩互层较多的高压致密地层推荐采用牙轮-PDC混合式钻头钻井技术。经济评价结果表明,元坝气田应用"国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆"钻井技术的经济效益最高,其次是牙轮-PDC混合式钻头钻井技术,"进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮"复合钻井技术最差。      

济阳坳陷深部地层PDC钻头优化设计与应用

济阳坳陷北部沾车凹陷的沙3段、沙4段及中生界地层岩石强度高,研磨性强,可钻性差,严重制约着该地区深井、中深井钻井速度的提高。为此,对该地区26口井的地质资料、钻头使用资料和测井资料进行了分析和处理,得到了地层的强度、可钻性和研磨性等参数的定量数据,据此设计和优选了适用于不同地层特性的PDC钻头,并介绍了其主要特性。优选的PDC钻头进行了现场试验,其中1只Φ215.9 mm MSX516M钻头在7口井进行了试验应用,累计进尺2 687.00 m,总纯钻时641.00 h,平均机械钻速4.19 m/h;1只Φ215.9 mm RSR516S钻头在3口井进行了试验应用,累计进尺1 970.00 m,总纯钻时729.50 h,平均机械钻速2.70 m/h;1只Φ215.9 mm MSX813M型钻头在3口井进行了试验应用,累计进尺373.46 m,总纯钻时262.70 h,平均机械钻速1.42 m/h。几只设计优选的钻头与邻井所用其他钻头进行了使用情况对比,结果表明,不论是平均机械钻速还是单只进尺都有了大幅度提高。      

适合大港滨海区块硬地层的PDC钻头优化设计

大港油田滨海区块下部地层为含砂质泥质结构,岩石由泥质和砂质等组成,地层硬度高、研磨性强,单只PDC钻头进尺少、机械钻速低,制约了该地层的勘探开发进程。鉴于此,对PDC钻头的冠部轮廓、刀翼、布齿和水力性能等进行了优化设计,得到了适合该地层的M432215.9 mm七刀翼PDC钻头。大港油田滨海6井的现场试验结果表明,在同井段同尺寸情况下,M432215.9 mm七刀翼PDC钻头的平均进尺49.0 m,机械钻速1.540 m/h,牙轮钻头平均进尺22.5 m,机械钻速0.967 m/h;使用七刀翼PDC钻头提高了钻进速度,缩短了钻井周期。     

川西须家河组地层PDC钻头结构参数优化及选型

川西深层须家河组气藏主力储层埋藏深、地质条件复杂,尤其是其地层硬度高、可钻性差,致使钻头选型困难,机械钻速低。为提高须家河组地层机械钻速,针对地层岩性特征,利用ABAQUS软件建立了切削齿破岩有限元模型,结合钻头设计理论优化了PDC钻头结构参数,确定出了适合须家河组地层的钻头冠部轮廓、切削齿、刀翼数和保径特征等主要结构参数,提出了PDC钻头选型的关键特征。在此基础上,优选出了9个型号PDC钻头,形成了须家河组地层钻头系列化选型方案:须5段-须3段地层宜选用攻击性强同时具有较强抗研磨性和抗冲击性的PDC钻头,须2段地层宜选用高抗研磨性兼顾吃入能力和抗冲击性的混合布齿钻头。现场应用表明,42只优选钻头平均进尺增加27.57%,钻速提高40.19%,实现了须家河组地层钻井提速新突破。      

玉北地区深部地层扭力冲击器提速工艺

新疆玉北地区古生界沙井子组地层埋深4 000 m以上,岩石强度高;加之泥质岩含量高、塑性强,地层可钻性较差,提速困难。前期实践表明,沙井子组高塑性地层牙轮钻头的纵向冲击压碎破岩效果不佳,常规PDC钻头钻井反扭矩大,易产生“黏滑”现象,破岩效率低。为提高机械钻速,降低钻井综合成本,引入了国外的新型钻井提速工具——TorkBuster扭力冲击器,并通过匹配个性化PDC钻头、提高钻井液排量、合理控制钻压等配套技术措施,大幅度地提高了平均机械钻速。“PDC钻头+螺杆钻具”、“孕镶PDC石钻头+涡轮钻具”和“PDC钻头+扭力冲击器”3种钻井工艺的现场试验结果表明,扭力冲击器提速效果明显,平均机械钻速为6.42 m/h,与前期相比机械钻速提高了2~3倍。扭力冲击器钻井克服了深井高强度塑性地层的钻井难题,可进一步推广应用。     

砂砾岩地层钻头合理选型研究及应用

莫里青地区所钻遇地层含砾岩层多,下部地层的岩石成岩性好,胶结致密,研磨性强,可钻性差,机械钻速较低,为提高该地区钻头的进尺和钻速,开展了钻头类型优化研究。利用测井资料和钻头使用资料相结合的方法,首先对该地区的测井资料进行处理分析,得出地层的抗压强度、抗剪强度、研磨性及可钻性等力学参数,然后根据已使用钻头情况,建立钻头数据库。利用钻头类型与地层之间的匹配关系模型,结合地质、测井和钻井资料进行钻头合理选型,得出了钻头优选结果,并进行了现场应用,取得了较好的效果。     

基于改进灰色聚类的钻头优选新方法及其应用

针对长岭气田登娄库组致密砂岩地层硬、研磨性强、可钻性级别高、钻头优选困难的现状,提出以改进灰色聚类法优选钻头。以改进灰色聚类法优选钻头是将同一区块特定层位已使用过的各个钻头作为聚类对象集,评价钻头的各个指标,如钻头进尺、机械钻速、钻头使用时间及钻头成本等作为聚类指标集,再给出聚类标准集后,即可给出各聚类对象对各聚类标准的聚类系数,通过比较聚类系数大小得出钻头类型的优劣。与常规灰色聚类法相比,该聚类结果更加符合实际情况。长岭气田某些层段上实钻资料应用表明,以改进灰色聚类法选择钻头能有效提高钻井速度,缩短钻井周期,降低钻井成本。     

根据地层岩性进行金刚石钻头选型的软件开发

岩石性质是金刚石钻头针对性选型的依据,因此,可以在弹性力学的基础上,利用测井资料进行金刚石钻头的选型。分析了根据地层岩石性质进行金刚石钻头选型的理论依据,归纳了选型方法,采用Visual Basic 6.0语言,开发了金刚石钻头选型软件。该软件采用类似3步法的优选法:第1步确定使用何种用途的金刚石钻头;第2步确定使用金刚石钻头的地层;第3步采用一个综合公式进行计算,得出成本最低的钻头。     

PDC钻头异形切削齿研究进展

为满足不同硬度、强研磨性及非均质地层岩石的需要,提高钻井效率,国外一些公司在PDC钻头常规圆柱状切削齿的基础上持续创新,研发了一系列创新型几何设计的新型PDC钻头异形切削齿。介绍了脊形切削齿、楔(V)形切削齿、凿形切削齿和其他异形齿的结构和性能。个性化异形切削齿是未来发展的主要方向,深入开展常规圆柱状切削齿和各种异形切削齿混合式个性化PDC钻头的研发,对钻头的切削结构进行优化,合理布置各种切削齿,充分发挥各自的优势,以解决深部地层可钻性差导致的机械钻速慢、钻井效率低的难题。     

Z_（34）－8120型三角聚晶金刚石取心钻头

在分析国内外三角聚晶金刚石取心钻头制造工艺和使用情况的基础上，提出了以整体压制石墨阴模制造三角聚晶金刚石取心钻头的新方法，并采用带负前角的三角聚晶金刚石。这种新型取心钻头特别适用于中到中硬塑脆性地层的取心钻进，单只钻头最高进尺达１１５．７１ｍ（机械钻速１．４５ｍ／ｈ），创国内同类取心钻头单只进尺的最高纪录。     

复杂地层PDC钻头研究

常规PDC钻头在岩石疏松、结构松散、无规律含砾、软硬交错等复杂地层中钻进时受力不均,导致钻头平均机械钻速低,钻进困难,难以满足高效钻井要求。针对这一现象,重新对PDC钻头的布齿方式、冠部头型、水力结构、钻头稳定性等方面进行个性化设计。在复杂地层应用情况表明,所设计的钻头极大地提高了钻进速度,减少了起下钻次数,缩短了钻井周期,有效地预防了钻井事故的发生,节约了钻井成本,经济效益显著。